緩釋配方肥促進胡椒花穗增加的生理機制研究

李志剛，祖超，李文平，林蓉，楊建峰，王燦，魚歡，鄭維全

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所/農(nóng)業(yè)部香辛飲料作物遺傳資源利用 重點實驗室/海南省熱帶香辛飲料作物遺傳改良與品質(zhì)調(diào)控重點實驗室， 海南 萬寧 571533； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶作物學(xué)院， 云南 普洱 665099)

胡椒(PipernigrumL.)是胡椒科(Piperaceae)胡椒屬(Piper)多年生常綠藤本植物[1]，經(jīng)濟價值高且用途廣泛，已廣泛種植于亞州、非州、拉丁美洲的40多個國家和地區(qū)[2]。目前，市場的供需矛盾是胡椒產(chǎn)業(yè)瓶頸，中國胡椒產(chǎn)量不能滿足國內(nèi)需求，每年需進口約3萬t，而增產(chǎn)是解決此矛盾的關(guān)鍵。施肥是增加產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有肥料養(yǎng)分的供應(yīng)，其他措施的作用將大大下降。根據(jù)作物養(yǎng)分需求規(guī)律，在適宜作物開花的時期，以施肥的方式合理地為作物提供適宜的養(yǎng)分，可以促進作物花穗數(shù)目增加，從而達到增產(chǎn)的目的[3-5]。胡椒一年四季都可抽生花穗，但在海南主要集中在秋季，研究表明，源的強弱和光合作用的強弱與干物質(zhì)的積累呈正相關(guān)[5]，光合速率高低和蔗糖磷酸合成酶活性強弱最能代表源強的指標(biāo)[6]；祖超等[7]研究表明適宜的遮蔭對胡椒主花期葉片碳代謝及成花量有一定的調(diào)控作用。因此，可以通過養(yǎng)分管理等措施增強胡椒主花期葉片的糖代謝、光合作用和養(yǎng)分情況，從而調(diào)控營養(yǎng)生長與生殖生長過程。然而，中國80%以上的胡椒種植戶習(xí)慣憑傳統(tǒng)經(jīng)驗施肥，不考慮各種肥料特性而盲目過量施用，并采用一次性大量施用等簡單的施肥方法，造成肥料浪費和環(huán)境污染。海南胡椒傳統(tǒng)施肥主要集中在每年8—11月，這一時期是胡椒花穗果穗形成的關(guān)鍵時期，施肥量占全年的70%，此時為雨季，肥料淋溶嚴(yán)重，浪費化肥資源，降低施肥效果[8]?；书L期過量施用還導(dǎo)致胡椒園土壤酸化，破壞土壤的團粒結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致土壤板結(jié)，造成土壤和作物營養(yǎng)元素失調(diào)，影響作物增產(chǎn)增收，降低作物品質(zhì)等問題[8-12]。緩釋肥料是一種綠色污染小的環(huán)境友好型肥料，具有利用率高，肥效長，施用方便，省工安全，理化性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢，能滿足植物生長時期所需養(yǎng)分，減少了施肥次數(shù)以及施肥過程中不必要的人力、物力、財力的消耗[13]。本研究旨在探明緩釋肥配方促進胡椒花穗抽生的糖代謝生理機制，為胡椒生產(chǎn)實踐中合理施用緩釋肥料提供依據(jù)，通過降低生產(chǎn)成本以促進產(chǎn)業(yè)增效。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗以4齡“熱引1號”胡椒植株為研究對象，在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所瓊海大路試驗基地開展研究。設(shè)置不同緩釋配方肥施用量處理T1、T2和T3(T1=1/2需肥量，T2=1需肥量，T3=3/2需肥量)(表1)，在主花期前(8月)一次性施用緩釋肥(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=16∶3∶16)，其中，氮肥為緩釋尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為緩釋硫酸鉀，同時配施有機肥15 kg·株-1。以傳統(tǒng)施用3次速效肥(攻花肥、輔助攻花肥、養(yǎng)果保果肥)為對照(CK)，其中，氮肥為尿素和復(fù)合肥(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15)，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。每個處理選取6株長勢基本一致的植株，每株作為1個重復(fù)。種植園胡椒株行距為2 m×2.5 m，植株高約1.5 m，冠幅約1.4 m，東西走向。

在11月中旬胡椒果穗生長穩(wěn)定后統(tǒng)計單株果穗數(shù)，并選取植株中上部短枝上倒數(shù)第二片穩(wěn)定葉測定其光合作用指標(biāo)，取葉測定養(yǎng)分含量及糖代謝相關(guān)指標(biāo)，次年果熟期統(tǒng)計單株產(chǎn)量，明確不同緩釋肥施用量對胡椒產(chǎn)量及花穗數(shù)量的影響，探討緩釋肥影響胡椒源葉淀粉累積對胡椒花穗抽生的影響機制。

表1 不同施肥處理肥料用量Table 1 The fertilizer amount in different fertilizer treatment g·plant-1

1.2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1 光合指標(biāo)測定 采用 Li6400型便攜式光合儀測定胡椒源葉凈光合速率(Pn) 、氣孔導(dǎo)度(Gs) 、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)和蒸騰速率(Tr)等光合作用參數(shù)。

1.2.2 葉片養(yǎng)分含量的測定 用Euro Vector E有機元素分析儀測定氮含量；以H2SO4-H2O2消煮；紫外分光光度計測定磷含量；火焰光度計測定鉀含量；采用干灰法，原子吸收紫外光度計測定鈣、鎂、鐵等元素含量。

1.2.3 糖代謝的測定 11月中旬，采集胡椒中上部短枝上成熟的倒二或倒三葉置于冰盒內(nèi)，帶回實驗室用液氮處理，-80 ℃保存?zhèn)溆?，采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒測定磷酸蔗糖合成酶(SPS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦化酶(AGPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶(SAI)、α-淀粉酶和β-淀粉酶活性，以及蔗糖和淀粉含量，并計算蔗糖淀粉比。

1.3 數(shù)據(jù)分析

文中數(shù)據(jù)均來自3～5個重復(fù)的平均值，采用 SPSS Statistics 20.0進行統(tǒng)計分析，使用R語言及WPS軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩釋配方肥對胡椒單株產(chǎn)量及穗數(shù)的影響

張華昌[6]研究發(fā)現(xiàn)單株穗數(shù)是影響胡椒產(chǎn)量的主要因子，故穗數(shù)可以作為衡量胡椒主花期養(yǎng)分管理的指標(biāo)。本研究結(jié)果表明(圖1)，處理與對照平均單株可產(chǎn)黑胡椒1.4 kg左右，產(chǎn)量差異不顯著；穗數(shù)多少順序為T1>CK>T3>T2，均與對照無顯著差異。結(jié)果表明，1/2施用量的緩釋肥處理T1，較對照節(jié)約50%的化學(xué)肥料，且未造成產(chǎn)量和穗數(shù)的降低。

注：不同小寫字母代表顯著性差異，n.s.代表差異不顯著 (P<0.05)。 下同 Note:Different lowercase letters represent significant differences, n.s.means no significant differences (P<0.05).The same as below.圖1 緩釋肥對胡椒單株產(chǎn)量及穗數(shù)的影響 Fig.1 Effects of slow-release fertilizer on yield per plant and panicle number of pepper

2.2 緩釋配方肥對胡椒源葉光合作用參數(shù)的影響

光合作用是有機物積累的前體，Pn、Gs、Ci和Tr是主要光合作用指標(biāo)。圖2可知，在胡椒主花期緩釋肥處理對胡椒光合作用沒有顯著影響，但是相對于傳統(tǒng)施肥處理，T1和T2處理可以顯著提升Pn，從而有效促進胡椒光合產(chǎn)物的生成。T3的高施肥量處理表現(xiàn)出抑制氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的作用，說明適量施肥才有利于植物葉片光合同化產(chǎn)物形成和積累。

圖2 緩釋配方肥對胡椒主花期源葉光合參數(shù)的影響 Fig.2 Effects of slow-release fertilizer on photosynthetic parameters of source leaves at main flowering stage of pepper

2.3 緩釋配方肥對胡椒源葉蔗糖淀粉累積的影響

蔗糖和淀粉是光合作用的2種主要終產(chǎn)物，本研究測定了胡椒源葉蔗糖、淀粉合成和分解相關(guān)酶SPS、AGPase、SSS、SAI、α-淀粉酶和β-淀粉酶活性(圖3)，可以看出，各處理SPS和α-淀粉酶活性無顯著差異，對照處理SSS和β-淀粉酶活性顯著高于緩釋配方肥處理，而AGPase和SAI活性均為T3、T2>CK>T1，T3處理AGPase極顯著高于其他處理。

相對應(yīng)地，各處理源葉蔗糖含量無明顯變化趨勢，而T3處理淀粉含量極顯著高于其他處理；T1處理蔗糖淀粉比明顯高于其他處理，比對照提高了18.03%(圖4)。前期研究表明，主花期源葉淀粉含量減少有利于抽穗，本試驗表明1/2緩釋施肥量可降低源葉淀粉含量，明顯提高源葉蔗糖淀粉比，所以，該緩釋配方肥減施有可能促進胡椒抽穗。

圖3 緩釋配方肥對胡椒主花期源葉糖代謝相關(guān)酶的影響 Fig.3 Effects of slow-release fertilizer on enzymes related to sugar metabolism in leaves at main flowering stage of pepper

圖4 緩釋配方肥對胡椒主花期葉片蔗糖、淀粉含量及蔗糖淀粉比的影響 Fig.4 Effects of slow-release fertilizer on sucrose and starch content and sucrose starch ratio at main flowering stage of pepper

2.4 緩釋配方肥對胡椒葉片養(yǎng)分含量的影響

作物N、P、K等養(yǎng)分累積是作物干物質(zhì)形成的基礎(chǔ)，進而影響作物產(chǎn)量形成。本試驗結(jié)果表明(圖5)，1/2施用量的緩釋肥處理T1的葉片N、P、K含量均與對照無顯著差異，而高用量處理T3的葉片F(xiàn)e含量反而低于對照和T1處理，說明在一定范圍內(nèi)，氮、磷、鉀的施肥量并不能明顯改變作物對養(yǎng)分的吸收利用。葉片F(xiàn)e含量順序為T3>CK>T1、T2，而緩釋肥處理的胡椒主花期葉片Ca和Mg含量與對照無顯著差異。

圖5 緩釋肥對胡椒主花期葉片養(yǎng)分含量的影響 Fig.5 Effects of slow-release fertilizer on nutrient content in leaves at main flowering stage of pepper

2.5 影響胡椒產(chǎn)量的關(guān)鍵生理指標(biāo)相關(guān)性分析

本研究發(fā)現(xiàn)胡椒花穗數(shù)和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.77*)，而后分析了光合生理參數(shù)、主花期后期糖代謝參數(shù)和葉片養(yǎng)分參數(shù)與花穗數(shù)目的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)抽穗后葉片蔗糖/淀粉比與花穗數(shù)目呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.73)，影響蔗糖/淀粉比的SAI活性與花穗數(shù)目顯著負相關(guān)(r=-0.84*)，即SAI活性越低，分解蔗糖能力越小，蔗糖/淀粉比越大，花穗數(shù)目就越多。所測養(yǎng)分都與花穗數(shù)目呈正相關(guān)關(guān)系，其中N和Fe與花穗數(shù)目顯著正相關(guān)(r=0.78*，r=0.74*)，這2個養(yǎng)分參數(shù)都與葉片中蔗糖含量顯著正相關(guān)(r=0.91**，r=0.81*)養(yǎng)分參數(shù)中K對花穗數(shù)目的正調(diào)控主要通過增加蔗糖淀粉比來實現(xiàn)的(r=0.92**)，說明緩釋配方肥中適度增加K的施用量可以提高蔗糖淀粉的比值，進而促進胡椒花穗數(shù)目增加(表2)。

表2 胡椒花穗數(shù)、產(chǎn)量與糖代謝過程主要參數(shù)相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis of panicle number and yield with the main parameters of sugar metabolism in pepper leaf

續(xù)表2 胡椒花穗數(shù)、產(chǎn)量與糖代謝過程主要參數(shù)相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis of panicle number and yield with the main parameters of sugar metabolism in pepper leaf

3 討論與結(jié)論

在對胡椒葉片光合作用研究中發(fā)現(xiàn)，緩釋肥處理對胡椒主花期源葉光合作用沒有顯著影響，但是相對于傳統(tǒng)施肥處理，T1和T2緩釋配方肥處理可以提升源葉凈光合速率，有增加胡椒光合產(chǎn)物生成的趨勢，且蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度都有顯著提升，這有可能促進胡椒植株對養(yǎng)分的吸收量，減少淋溶損失，提高了肥料的利用率。而3/2施肥量處理有抑制氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率增加的作用，所以，適宜的施肥量才有利于植物對養(yǎng)分的吸收[13-16]。

前期胡椒遮蔭研究表明，適度遮蔭可以提高植物光飽和點，降低光補償點，使其更有效地利用和吸收光能，增加光合產(chǎn)物，同時降低暗呼吸速率，減少植物碳消耗，有利于植物體糖積累。另外，研究表明可溶性糖、蔗糖和淀粉含量增加極顯著提高了次月開花量[17-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，1/2緩釋配方肥處理使得抽穗后源葉調(diào)控蔗糖和淀粉比例的可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶活性顯著降低，從而抑制了蔗糖分解與淀粉的合成，明顯提高源葉蔗糖/淀粉比，從而可能促使胡椒主花期花穗數(shù)目增加。

緩釋尿素可以提高土壤中堿解氮及植株氮的含量，對光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度也均有提升作用[19-21]。本研究發(fā)現(xiàn)，葉片N含量與花穗數(shù)目呈顯著正相關(guān)關(guān)系，N與SAI活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系(r=-0.75*)，與蔗糖極顯著正相關(guān)(r=0.91**)，所以，N對花穗數(shù)目的貢獻，可能源于對SAI的負調(diào)控和對蔗糖的正調(diào)控實現(xiàn)的。葉片K含量與花穗數(shù)目正相關(guān)，K與β-淀粉酶活性和蔗糖/淀粉比顯著正相關(guān)(r=0.72*，r=0.92**)，所以，K對花穗數(shù)目的正效應(yīng)，可能主要通過提升β-淀粉酶活性，進而增加蔗糖/淀粉比來實現(xiàn)的。葉片F(xiàn)e含量與花穗數(shù)目正相關(guān)，F(xiàn)e與SAI負相關(guān)(r=-0.68)與蔗糖正相關(guān)(r=0.81*)，所以，F(xiàn)e可能通過負調(diào)控SAI實現(xiàn)對蔗糖的正調(diào)控，進而促進蔗糖/淀粉比增加，實現(xiàn)對花穗數(shù)目的正調(diào)控。緩釋配方肥的試驗處理，減少了施肥次數(shù)和用量，產(chǎn)量卻沒有降低，甚至少量增加，說明緩釋養(yǎng)分的適量投入可以減緩過量施肥導(dǎo)致的胡椒園土壤pH明顯下降[22-23]，有機質(zhì)虧缺，土壤有效B、交換性Ca、Mg等養(yǎng)分含量下降的問題[24-26]，同時還可以調(diào)控產(chǎn)量生理學(xué)過程參數(shù)實現(xiàn)不減產(chǎn)。因而，在生產(chǎn)中合理應(yīng)用緩釋肥料，是促進產(chǎn)業(yè)增效的有效途徑。